Hace poco escuché sobre el positronio , un "elemento" con propiedades interesantes formado por un electrón y un positrón, y me sorprendió saber que los físicos estaban trabajando con este elemento, aunque fuera por una vida muy corta. Siempre tuve la impresión de que la materia y la antimateria se aniquilaban cuando se acercaban remotamente, lo que aparentemente no es el caso.
¿Cómo se combinan estas dos partículas para formar un elemento si tienen cargas opuestas y aproximadamente la misma masa? ¿Qué tipo de interacciones podrían tener lugar antes de que se junten y se aniquilen?
Como habrás notado, no es automáticamente cierto que una partícula y su antipartícula se aniquilen entre sí cuando se acerquen. De hecho, no es seguro que ocurra ninguna interacción entre las partículas. La mecánica cuántica (y en un nivel superior, la teoría cuántica de campos) te dice que todas estas interacciones ocurren con ciertas probabilidades. Entonces, por ejemplo, cuando una partícula y su antipartícula se acercan mucho, solo existe la posibilidad de que interactúen dentro de un período de tiempo determinado.
Sin embargo, cuanto más tiempo permanezcan juntas las partículas, mayor será la probabilidad de que interactúen y se aniquilen entre sí. Esto es responsable de la vida útil de 142 ns del positronio como se informa en el artículo de Wikipedia: la probabilidad de aniquilación aumenta con el tiempo de tal manera que la vida media de un "átomo" de positronio es de 142 ns.
Como dijo Cedric, siempre que el positrón y el electrón no se aniquilen entre sí (y recuerde, solo hay una posibilidad limitada de que eso suceda en un momento dado), pueden interactuar de la misma manera que cualquier otra partícula cargada, como el protón y el electrón. Estar unidos por la interacción electromagnética, como en un átomo de hidrógeno o un "átomo" de positronio, es solo un ejemplo.
Solo para agregar. El positronio no solo existe, sino que también puede interactuar con la materia y te permite hacer física interesante. Por ejemplo, en un artículo reciente S. Mariazzi, P. Bettotti, RS Brusa, Positronium Cooling and Emission in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature , Phys. Rev. Lett. 104, 243401 (2010), el positronio creado por depósito de positrones en una superficie nanoestructurada se enfrió por colisión con paredes de nanocanales y se termalizó (!) a aproximadamente 150K. Aquí hay una cita del resumen de ese artículo:
Se obtuvo un alto rendimiento de formación y una fracción enfriada significativa de positronio por debajo de la temperatura ambiente mediante la implantación de positrones en un objetivo de silicio en el que se produjeron nanocanales oxidados bien controlados (de 5 a 8 nm de diámetro) perpendiculares a la superficie. Mostramos que al implantar positrones a 7 keV en el objetivo mantenido a 150 K, alrededor del 27% de los positrones forman positronio que escapa al vacío. Alrededor del 9% del positronio escapado se enfría por colisión con las paredes de los nanocanales y se emite con un haz maxwelliano a 150 K.
Esto se debe a que tienen cargas opuestas, por lo que pueden formar un estado ligado: incluso de forma clásica, puedes entender que: las cargas con cargas opuestas se atraen entre sí.
Si bien es cierto que una partícula y su antipartícula pueden aniquilarse entre sí, primero tienen que interactuar.
El positronio es un estado ligado puramente electromagnético: el positrón y el electrón formarán un estado ligado por interacción electromagnética (sin interacción fuerte ya que son leptones, y la interacción débil no juega un papel en la formación del estado ligado).
Tienen la misma masa, pero no es un problema real.
En la mecánica cuántica, este problema se trata exactamente de la misma manera que el ejemplo del libro de texto del átomo de hidrógeno. Primero se separa el centro de masa del problema, pero aquí, como tienen la misma masa, esto no se puede despreciar en el resultado final.
Luego calcula la interacción de una partícula con el centro de masa (en el caso del átomo de H, esto es inequívocamente la interacción del electrón con el protón, pero aquí es uno de los dos leptones con el centro de masa que es en el medio).
También debo señalar que incluso si el estado ligado es estable desde ese punto de vista, el positronio eventualmente se aniquilará porque las dos funciones de onda se superpondrán y, por lo tanto, estas dos antipartículas pueden interactuar y aniquilarse.
El positronio se puede formar de varias maneras, un ejemplo, donde puede crear positronio en su baño es tener un elemento que sea inestable. Después de este decaimiento, se emite un positrón. Entonces puede interactuar con la gran cantidad de electrones presentes en la materia y pueden formar un estado ligado: el positronio.
Para dar un giro ligeramente diferente a más o menos lo mismo que ya se ha dicho: la idea de que un electrón que se acerca a un positrón inevitablemente se aniquilará proviene del mismo tipo de concepto erróneo que lleva a la gente a pensar que los objetos que se acercan a un positrón inevitablemente se aniquilarán. de cerca de un agujero negro inevitablemente caerá. Ninguno de los dos es inevitable, porque el efecto de ambas fuerzas es simplemente atraer los objetos uno hacia el otro, lo que puede conducir o no a una colisión que los consume, dependiendo de los detalles de el movimiento de las partículas antes de que comiencen a interactuar.
Es posible que pueda afirmar que un positrón y un electrón que comienzan perfectamente en reposo se aniquilarían sin formar nunca un estado ligado, pero esa es una situación completamente irreal por varias razones, incluido el principio de incertidumbre. Sin embargo, si comienzan lejos unos de otros con cierta velocidad inicial, su destino dependerá de la disposición exacta de las condiciones iniciales. Es muy probable que la formación de un estado ligado estable también requiera una tercera partícula para conservar la energía y el momento.
Dependiendo de la orientación relativa del espín del electrón y el positrón, el positronio puede tener dos estados de espín: si el electrón y el positrón tienen espines antiparalelos (+1/2 y -1/2), el positronio tendrá espín singlete. estado con una vida útil intrínseca de 0,125 ns y se desintegra mediante la aniquilación de dos fotones. Por otro lado, si el electrón y el positrón tienen espines paralelos, el positronio tendrá un estado de triplete de espín con una vida útil intrínseca de 142 ns y se aniquilará en modo de tres fotones en el vacío. Sin embargo, en presencia de material, el positronio tiene una probabilidad finita de intercambiar su propio electrón con el electrón de espín opuesto del entorno, como resultado, el triplete-positronio puede decaer en modo singlete (dos fotones) más rápido que 142 ns. . Este modo de aniquilación se llama decaimiento de pick-off,
Ron Maimón